城市淺埋超大斷面隧道雙側壁法開挖爆破方案設計及優化

[摘要]隨著城市交通的快速發展，涌現出了越來越多的城市淺埋大斷面隧道，也同時對隧道修建技術提出了更為苛刻的要求。本文依托京滬高速濟南連接線龍鼎隧道，在詳細研究柱狀裝藥巖石破壞規律的基礎上，結合隧道爆破相關理論及規范，進行了龍鼎隧道雙側壁開挖方法爆破方案的設計，并在實際施工開挖中進行了應用。經過工程實際開挖應用及相關爆破震動監測等結果驗證，表明該方案在滿足城市隧道爆破震動控制等要求的前提下，實現了圍巖的較小擾動和超欠挖的精確控制，在保證工程安全、快速施工的前提下，取得了一定的經濟效益，可為類似工程提供一定的參考。

[關鍵詞]淺埋；超大斷面；隧道；CD法開挖；爆破

1、引言

隨著國民經濟水平的提高，城市交通堵塞的問題愈演愈烈，成為制約城市發展的關鍵問題。新興城市快速路的出現，極大的緩解了城市交通運輸壓力。作為城市快速路的關鍵組成部分，城市隧道的修建，也越來越多，且向著超淺埋、大斷面等方向發展，也為工程修建技術提出了更多亟待解決的難題。

爆破以其經濟、高效、快捷的特點廣泛應用于礦山開采、地下交通工程、水利水電工程和核電基礎的開挖中，然而爆破施工在造成爆區巖體破碎和剝離的同時，不可避免地造成近區巖體的擾動和損傷，以及中遠區巖體的振動等危害。推進式往復爆破作業時巖體的損傷效應更為突出，如大斷面隧洞雙側壁導坑法爆破開挖時圍巖的擾動損傷。損傷巖體的力學性能劣化，強度降低、完整性變差，從而對巖體的安全穩定造成威脅。因此正確分析爆炸荷載作用下巖體特征進而采取合理的控制方式是工程中關注的問題。

大斷面隧道由于形狀扁平，開挖后圍巖穩定性變差；圍巖應力更集中，松弛壓力更大；支護結構所能提供的承載力相對減小。基于以上特點，目前在巖質大斷面隧道中應用較多的工法是單側壁導坑法和雙側壁導坑法。其中，雙側壁導坑法是將整個開挖斷面分成6個導洞分部掘進，即一導洞開挖掘進若干米后另一導洞再開挖跟進，因此隧道周邊的圍巖遭受推進式往復的爆破荷載作用。

上述問題在城市隧道的修建過程中表現的更為突出。因此本文以京滬高速濟南連接線龍鼎隧道為背景，系統研究了柱形裝藥巖石的破壞規律，進行了洞身開挖方案的設計及優化，并在工程實際施工中進行了驗證，取得了良好的應用效果。

2、柱形裝藥巖石破壞規律研究

根據無限長柱形裝藥爆破和有限長柱形裝藥爆破時產生的柱面壓縮波和橢球面形狀的壓縮波的分析和計算，柱形裝藥爆破時對巖石的破壞，可以分成：壓碎區、受剪破壞區、受拉破壞區、振動區。

茌壓碎區，巖石被強大的壓力所粉碎，形成一系列與徑向成45°的滑移面。這同球形裝藥爆破是一樣，這個區域，在柱形裝藥的側面大約是柱形裝藥半徑的3.75～4.75倍；在柱形裝藥的端部大約是柱形裝藥半徑的2～3信。這個區域，就是在堅硬巖石中壓縮波壓力峰值在2萬大氣壓以上，在軟巖石中壓縮波壓力值在1萬大氣壓以上的區域。

受剪破壞區。柱形裝藥爆破的巖石受剪破壞區形成輻射狀的徑向裂縫，在徑向裂縫之間還有環向裂縫，在它們之間同時形成剪切裂縫。這些裂縫和裂隙，越靠近壓碎區越密。

茌堅硬巖石中，在柱形裝藥側面該區域為9～17.6倍柱形裝藥半徑，在柱形裝藥端部該區域為9～29.6倍柱形裝藥半徑。

茌一般巖石中，在柱形裝藥側面該區域為10.5～21.1倍柱形裝藥半徑；在拄形裝藥端部該區域為10.5～37.2倍柱形裝藥半徑。

在軟巖石中，在柱形裝藥側面該區域為12.6～28.3倍柱形裝藥半徑；在柱形裝藥端部該區域為12.6～45.1倍柱形裝藥半徑。當柱形裝藥的長度與直徑之比為1時，是最小值；當拄形裝藥的長度與直徑之比超過20倍時，是最大值。

茌受拉破壞區。在柱形裝藥的側面巖石有單向受拉破壞區，只出現徑向裂縫或裂隙，越靠近受剪破壞區越密一些。存在受拉破壞區，是柱形裝藥爆破的特點，在工程爆破中必須充分利用這個特點。在柱形裝藥的側面，巖石受拉破環區域，對于堅硬巖石，為柱形裝藥半徑的0～63.4倍；對于一般巖石，為柱形裝藥半徑的0～76倍；對于軟巖石，為柱形裝藥半徑的0～102倍。在柱端軸線方向上為0。當柱形裝藥的長度與直徑之比為1時，取0。當柱形裝藥的長度與半徑之比（對于堅硬巖石大于63.4；對于一般巖石大于76；對于軟巖石大于102）較大時，取最大值。

茌受拉破壞區外是振動區。在振動區，巖石沒有破壞，但有運動。在無限巖石介質中振動區的范圍很大。

對于一般爆破來說，必有一個以上的臨空面，所謂臨空面，也就是巖石的自由面。有的是在拄形裝藥的側面，有的是在柱形裝藥的端部，有的是在柱形裝藥的側面和端部都有臨空面。

當壓縮波到達柱形裝藥端部外的自由面時，立即產生稀疏波。在壓縮波和稀疏波的共同作用下，柱端到巖石自由面處的巖石受剪破壞區會進一步擴大，并在自由面附近形成剝離區，即利用巖石原有的裂隙把巖石抬起來。

當壓縮波到達柱形裝藥的側面的巖石和自由面時，同樣會立即產生稀疏波。在壓縮波和稀疏波的共同作用下。巖石自由面附近會有一部分巖石出現受拉破壞，與壓縮波隊巖石的受拉破壞連通起來，同時在自由面附近會有部分巖石沿原有的裂隙被抬起來。

在柱形裝藥爆破中，根據工程要求和具體條件，充分利用巖石的自由面（臨空面），同樣是爆破設計關鍵。從藥柱軸線到藥柱側面的巖石自由面的距離為側面抵抗線，最近處為側面最小抵抗線。從藥柱端部到端部外的巖石自由面的距離。為柱端最小抵抗線。在爆破設計中，合理地確定最小抵抗線和裝藥量（藥柱長度和直徑），是控制爆破對巖石的破壞范圍、破碎程度、堆積高度或倒塌狀況、飛石距離的關鍵所在。

3、工程概況

作為京滬高速濟南連接線重點控制工程，龍鼎隧道位于濟南市歷下區太平莊西側，隧道為雙向八車道，單洞四車道隧道，開挖寬度最大處達到20 m，高度達到13.6 m，是山東省內跨度最大，全國也罕見的超大斷面公路暗挖隧道，目前公路隧道設計及施工規范中無單洞四車道隧道相關規定。

龍鼎隧道全長2183米，工程規模大、地質條件復雜，隧道覆止厚度最小處僅為17 m，左右幅隧道相距最小處僅為12 m，圍巖等級大部分為Ⅴ級和Ⅳ級，且又穿越斷層破碎帶和溶隙溶洞群，屬于極淺埋、小凈距、超大跨的暗挖隧道。如果設汁施工管理不善，極易遇到隧道圍巖大變形、大體積塌方等不利狀況，給隧道的施工安全帶來了一定的挑戰。并且由于位于市郊臨近村莊，合理組織爆破施工，避免“擾民”和“民擾”，也是施工中面臨的嚴峻問題。

4、爆破方案設計及優化

4.1爆破參數確定